CC BY
38
УДК 66.023
Е. И. Бахонина (к.т.н., доц.) 1, У. Б. Имашев (акад. АН РБ, д.х.н., проф., зав. каф.) 2,
Р. Р. Кадыров (к.т.н., доц.) 3
К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ СВЧ - РЕАКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра промышленной безопасности и охраны труда, 2 кафедра физической и органической химии, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.(347)2420855, e-mail: helenabaho@mail.ru 3 Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке, кафедра автоматизированных технологических и информационных систем 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел. (3473) 240692
E. I. Bakhonina U. B. Imashev R. R. Kadyrov 2
TECHNOLOGICAL VERSATILITY OF A MICROWAVE REACTION DEVICE
1 Ufa State Petroleum Technological University, 1, Kosmonavtov Str, Ufa, 450062, Russia; ph. (347) 2420855, e-mail: helenabaho@mail.ru 2 Branch of the Ufa State Petroleum Technical University in Sterlitamak 2, October Av., 453118, Sterlitamak, Russia; ph. (347) 340692
Нагрев с помощью СВЧ излучения углеводородного сырья для проведения эндотермических каталитических реакций и/или для поглощения поверхностью твердого тела (например, катализатора) углеводородных газов и последующей их десорбции при воздействии на насыщенный адсорбент СВЧ излучения становится предметом значительного внимания технологов-нефтехимиков. В этой области наблюдается явный дефицит принципиальных технологических решений, которые могли бы использоваться для промышленного проектирования перерабатывающих установок с СВЧ-энергоподводом. В данной работе предлагается револьверный реактор-адсорбер, состоящий из батареи металлических сосудов, расположенных вокруг центральной оси. Источник СВЧ энергии — магнетрон закреплен сбоку каждого сосуда, что обеспечивает повышенную производительность, надежность, универсальность, многорежим-ность применения. Такое решение позволяет подвергнуть термообработке любой состав угле-водородсодержащего сырья, а следовательно, и углеводородсодержащие отходы.
Heating of hydrocarbon stock by microwave radiation for endothermic catalytic reactions and/or absorption of hydrocarbon gases by a solid body (catalyst) surface and their desorption from saturated adsorbent by microwave irradiation attracts considerable attention of petrochemical engineers. There is definite shortage of basic technological solutions in this area that could be used for industrial design of the processing facilities with microwave energy supply. A proposed reactor-adsorber consists of a set of metal vessels arranged around the central axis. Microwave power source, a magnetron, is attached to the side of every vessel. Such a design provides higher performance, reliability, versatility, and multimode applications. This solution allows thermal processing of any type of hydrocarbon feedstock and, thus, processing of hydrocarbon wastes.
Key words: reaction device; catalyst; reactor; reactor-adsorber; processing; microwave radiation; versatility.
Ключевые слова: гетерогенный катализатор; магнетрон; многорежимность применения; переработка углеводородсодержащих отходов; регенерация сорбента; СВЧ излучение; термообработка углеводородного сырья; универсальный револьверный реактор-адсорбер; эндотермические каталитические газофазные реакции.
Дата поступления 05.04.17
В нефтеперерабатывающей и химической промышленности получили применение практически все типы аппаратов для проведения химико-технологических процессов, а также необходимое для их функционирования вспомогательное оборудование. Значительное повышение технико-экономических показателей процесса переработки нефти возможно с применением современного эффективного оборудования на ее наиболее энергоемких стадиях. Реакционные аппараты, задачей которых является обеспечение массообмена и химической реакции с максимальной скоростью, значительно менее универсальны, чем теплообменные. Разнообразие условий протекания реакций порождает и разнообразие конструкций реакционных аппаратов 1-3. Создание новых более универсальных реакционных устройств является актуальной задачей.
Объемный нагрев за счет сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения и возможность прерывания этого нагрева безынерционно упрощает задачу теплоподвода, что необходимо использовать для разработки различных вариантов реакционных устройств с отсутствием теплопередающих элементов в конструкции. СВЧ излучение, как не имеющий массы теплоноситель, передается в обрабатываемую среду по полому волноводу в любом направлении, что оставляет широкий выбор геометрии сосудов с обрабатываемой средой, их количества и последовательности.
Целью настоящей работы был поиск рационального использования этих особенностей СВЧ воздействия в создании конкретной конструкции универсального многоцелевого реакционного устройства.
В промышленности широко используется, например, реактор для дегидрирования бутилена — вертикальный цилиндрический сосуд без внешнего обогрева с неподвижным катализатором. Необходимое для процесса тепло подводится за счет разбавления исходного бутилена большим количеством перегретого водяного пара, реактор адиабатический и по гидродинамическим условиям близок к аппарату идеального вытеснения. Катализатор может быть размещен одним или несколькими слоями; в последнем случае часть пара подается между этими слоями 4.
Основным недостатком такого типа реакторов является то, что используется лишь незначительная часть тепловой энергии, вводимой в реактор с перегретым паром. Температура пара на входе в реактор 700—750 0С, температура пара и контактного газа на выходе из реактора 600—650 0С; таким образом, тепловой КПД реактора составляет =10%. Требуется
большое количество пара, что увеличивает потребление водных ресурсов, кроме того, воду необходимо очистить и в дальнейшем рационально использовать 4-6.
Известен также адсорбер полунепрерывного действия с неподвижным слоем сорбента, включающий корпус со смонтированными опорной решеткой, поддерживающей слой сорбента, и барботером; аппарат сверху закрыт крышкой, а снизу заканчивается диффузором 5.
Однако недостатками устройства являются: инерционный подвод тепла; применяемая десорбция водяным паром не пригодна для случаев, когда необходимо разделение адсорбированных соединений по веществам; кроме того, переработка сконденсированной воды с растворенным в ней веществом бывает сложной и ставит новые проблемы ее очистки.
Известен также каталитический реактор для эндотермических каталитических гетеро-фазных реакций 6, представляющий собой вертикальный цилиндрический теплоизолированный металлический сосуд, содержащий катализатор и источник энергии, в котором подвод энергии осуществляется посредством электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. Верхняя крышка данного реактора играет роль излучающей антенны, а корпус реактора — роль резонатора электромагнитных колебаний. Мощность источника электромагнитного излучения, длина волны, а также масса катализатора выбираются таким образом, что вся энергия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения поглощается катализатором и сырьем, трансформируясь в тепловую энергию, необходимую для проведения химической реакции 6.
Однако вышеназванное устройство не универсально и пригодно только для определенных процессов — эндотермических каталитических гетерофазных реакций; имеется зависимость увеличения производительности от конструктивных особенностей реактора, что требует материальных затрат на его перестройку в случае необходимости смены состава сырья.
Предлагаемое нами устройство (реактор-адсорбер) 7 решает задачи проведения эндотермических каталитических реакций, поглощения газообразных углеводородов в реакторе-адсорбере, регенерации сорбента с помощью СВЧ излучения, а также разделения веществ, в случае подачи смеси газов, упрощения установки и эксплуатации реакторов-адсорберов при их размещении на химических производствах. На рис. 1 и 2 представлен вид реактора-адсорбера сверху и сбоку соответственно, на рис. 3 — его технологическая схема.
4 3
1
Рис. 2. Вид реактора-адсорбера сбоку
Реактор-адсорбер 7 состоит из батареи выполняющих роль резонатора электромагнитных колебаний теплоизолированных сосудов 1, расположенных вокруг центральной оси, как патроны в барабане револьвера (рис. 1—3). Каждый сосуд представляет собой цилиндрический металлический корпус 1, внутри которого размещается катализатор. Источник СВЧ энергии — магнетрон 2 закреплен сбоку каждого сосуда. Магнетрон 2 , генерируя СВЧ излучение, воздействует на катализатор и нагревает его до нужной температуры (рис. 1, 2). К каждому сосуду присоединены штуцеры для подачи сырья 3 и вывода продуктов или полуфабрикатов 4 в нижней и верхней части корпуса, соответственно. Сосуды соединены между собой системой трубопроводов с клапанами для работы в разных режимах. Система трубопроводов вертикального револьверного реактора-адсорбера содержит клапаны 5, 6 для регулирования подачи сырья и клапаны 7, 8 вывода полученных продуктов или полуфабрикатов (рис. 3) 7.
Револьверный реактор-адсорбер для углеводородов с теплоподводом на основе СВЧ излучения работает следующим образом. В случае закрытых клапанов 6 через открытые клапаны 5 в сосуды подается углеводородное сырье для осуществления реакции (адсорбции или десорбции) и выводится через клапаны 8 при закрытых клапанах 7. Причем проводимые реакции и вещества в сосудах могут при необходимости различаться, что позволяет одновременно получать несколько продуктов или
полу фабрикатов. Если процессы в сосудах будут идентичны, это позволит увеличить производительность системы по сравнению с единичным реактором в несколько раз, в зависимости от количества сосудов, а также варьировать производительность включением или отключением отдельных сосудов в работу. В случае закрытых клапанов 5 и открытых клапанов 6, 7 осуществляется ступенчатая переработка веществ последовательно от сосуда к сосуду.
6 5
на основе СВЧ излучения
Поперечное воздействие на слой катализатора оказывается более эффективным, так как обеспечивает равномерный прогрев всего вещества.
Расположение сосудов по окружности позволяет упростить процедуры осмотра состояния конструкций, профилактического обслуживания, ремонта, так как все элементы реактора-адсорбера находятся на небольшой площади. Не нужно перемещать и монтажное оборудование, можно расположить в центре окружности специальные устройства для подъема, опускания и горизонтального перемещения элементов конструкции.
В отличие от обычных реакторов аналогичной производительности, револьверный реактор-адсорбер надежнее в работе, потому что даже прекращение реакции в нескольких сосудах не приводит к прекращению процесса в целом (в других сосудах работа будет продолжаться). Конструкция позволяет при отказе одного из сосудов обеспечить непрерывную работу всей системы отключением этого сосуда и выводом его в ремонт. Кроме того, наличие нескольких сосудов позволяет реализовывать
различные режимы: можно подключать сосуды в работу параллельно, через определенные интервалы времени, оставлять некоторые сосуды в резерве. Общее число сосудов может быть разным в зависимости от производительности установки.
Итак, конструкция предлагаемого универсального револьверного реактора-адсорбера позволит гибко менять производительность установки за счет совместной работы нескольких реакторов-адсорберов; расширить спектр применения оборудования, проводя не только хи-
Литература
1. Бахонина Е.И. Современные технологии переработки и утилизации углеводородсодержащих отходов. Сообщение 1. Термические методы утилизации и обезвреживания углеводородсо-держащих отходов // Башкирский химический журнал.- 2015.- Т.22, №1.- С.20-29.
мические реакции, но также многоступенчатую переработку веществ, адсорбцию и десорбцию. Принцип данной конструкции, использующей СВЧ-энергоподвод, универсального револьверного реактора-адсорбера для углеводородов обеспечивает простоту обслуживания и монтажа-демонтажа, компактность, разнообразность применения, многорежимность работы накачкой любого требуемого количества тепла в реакционные сосуды легко регулируемой неинерционной нагрузкой электропитания магнетронов.
References
1. Bakhonina E.I. Sovremennye tekhnologii pererabotki i utilizatsii uglevodorodsoderzha-shchikh otkhodov. Soobshchenie 1. Termicheskiye metody utilizatsii i obezvrezhivaniya uglevodo-rodsoderzhashchikh otkhodov [Modern technologies of processing and recycling of hydrocarbon waste. Part 1. Thermal methods of recycling and disposal of hydrocarbon waste]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir chemical journal], 2015, v.22, no. 1, pp.20-29.
Bakhonina E.I. Sovremennye tekhnologii pererabotki i utilizatsii uglevodorodsoderzha-shchikh otkhodov. Soobshchenie 2. Fiziko-khimicheskiye, khimicheskiye, biologicheskiye metody utilizatsii i obezvrezhivaniya uglevodo-rodsoderzhashchikh otkhodov [Modern technologies of processing and recycling of hydrocarbon waste. Part 2. Physico-chemical, chemical, biological methods of recycling and disposal of hydrocarbon waste]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir chemical journal], 2015, v.22, no.2, pp.41-49.
Bakhonin A.V., Bakhonina E.I., Charikov P.N. Razrabotka konstruktsiy apparatov dlya massoobmennykh protsessov s ispol'zovaniem sverhvysokochastotnogo elektromagnitnogo izlucheniya [Development of designs of apparatus for mass transfer processes using microwave electromagnetic radiation]. Ufa, Neftegazovoe delo Publ., 2016, 106 p.
Tyuryaev I.Ya. Teoreticheskie osnovy polucheniya butadiena i izoprena metodami degidrirovaniya [Theoretical fundamentals of butadiene and isoprene dehydrogenation methods]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1973, 244 p.
Ainshtein V.G., Zakharov M.K., Nosov G.A. i dr. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii [Processes and apparatus of chemical technology]. Moscow, BINOM. Laboratoriya znanii Publ., 2014, 1758 p.
Bikbulatov I.Kh., Daminev R.R., e.a. Sverhvyso-kochastotnyi kataliticheskiy reaktor dlya endoter-micheskikh geterofaznykh reaktsyi [The microwave catalytic reactor for endothermic heterogeneous reactions]. Patent RF, no. 2116826, 1998.
Bakhonin A.V., Bikbulatov I.Kh., Bakhonina E.I., e.a. Universal'nyi revol'vernyi reaktor-adsorber dlya uglevodorodov s teplopodvodom na osnove SVCh izlucheniya [Universal turret reactor-adsorber for hydrocarbons with microwave radiation-based heat feed]. Patent RF, no. 2500466, 2013.
2. Ьахонина Е.И. Современные технологии переработки и утилизации углеводородсодержащих отходов. Сообщение 2. Физико-химические, химические, биологические методы утилизации и обезвреживания углеводородсодержащих отходов // Ьашкирский химический журнал.-2015.- Т.22, №2.- С.41-49.
3. Ьахонина Е.И., Ьахонин A.B., Чариков П.Н. Разработка конструкций аппаратов для массо-обменных процессов с использованием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.-Уфа.: Нефтегазовое дело, 2016.- 106 с.
4. Тюряев И.Я. Теоретические основы получения бутадиена и изопрена методами дегидрирования.- Киев: Наукова Думка, 1973.- 244 с.
5. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Процессы и аппараты химической технологии.-М.: ЬИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.1758 с.
6. Патент № 2116826 РФ. Сверхвысокочастотный каталитический реактор для эндотермических гетерофазных реакций /Ьикбулатов И.Х., Да-минев Р.Р., Шулаев С.М., Шулаев Н.С.// Ь.И.- 1998.-№22.
7. Патент №2500466 РФ Универсальный револьверный реактор-адсорбер для углеводородов с теплоподводом на основе СВЧ излучения / Ьахонин A.B., Ьикбулатов И.Х., Ьахонина Е.И. и др.// Ь.И.- 2013.- №34.
2
3
4
5
6
7
